類的結構分析
本文主要分析iOS中的類以及類的結構，下面我們通過一個例子來探索類的結構
我們定義一個WPerson類
@interface WPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@property (nonatomic, strong) NSString *name;
-(void)say666;
+(void)sayNB;
@end
@implementation WPerson
-(void)say666
{
NSLog(@"~~666~~");
}
+(void)sayNB
{
NSLog(@"~~NB~~");
}
@end
我們通過Clang命令將這個類編譯成.cpp文件
//main.m 是要編譯的文件名，
//main.cpp 是編譯結果的輸出文件名
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
我們在編譯結果的文件中找到WPerson:
struct WPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *_nickName;
NSString *_name;
};
我們看到WPerson類被編譯成了一個結構體，并且結構體中包含了我們聲明的兩個屬性，并且在編譯的過程中自動生成了get和set方法
static NSString * _I_WPerson_nickName(WPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_WPerson$_nickName)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);
static void _I_WPerson_setNickName_(WPerson * self, SEL _cmd, NSString *nickName) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct WPerson, _nickName), (id)nickName, 0, 1); }
static NSString * _I_WPerson_name(WPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_WPerson$_name)); }
static void _I_WPerson_setName_(WPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_WPerson$_name)) = name; }
所以我們可以得出結論：
所有繼承自
NSObject的子類都會被編譯成一個結構體，也就是說類實際是一種結構體類型
objc_class源碼探索
我們再看一下Class類型的定義，我們在.cpp的源碼中找到：typedef struct objc_class *Class; 我們知道了Class是objc_class類型的結構，接下來我們在objc源碼中探索一下objc_class的源碼
這里使用的是objc4-781版本的源碼，下載地址objc源碼
我們在源碼中的objc-runtime-new.h中找到了objc_class的定義：
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
class_rw_t *data() const {
return bits.data();
}
//這里的其他方法以及屬性已經略去
}
我們看到objc_class繼承自objc_object，我們再來看看objc_object的源碼：
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
objc_class有以下四個屬性：
- isa
- superclass
- cache （這里不作探索，后面會補上這部分內容）
- bits（這里不作探索，后面會補上這部分內容）
isa
我們在iOS-底層分析之isa一文中已經知道對象的isa指向的是該對象所屬的類，那么類結構體的isa指針又指向哪里呢？接下來我們看一張非常經典的isa走位圖：
我們可以看出，類的isa指向了該類的元類
superclass
顧名思義，superclass是指向父類的指針，如果繼承自NSObject，那么superclass指向NSObject
類的方法以，屬性，成員變量的查找
我們知道類實際上是方法，屬性的幾個集合，那么在類的結構中，這些屬性和方法是怎么存儲的呢？
在開始之前，我們需要先了解什么是內存偏移
內存偏移
我們聲明兩個變量，并打印這兩個變量的地址
int a = 10;
int b = 10;
NSLog(@"~~~ %d----%p",a,&a);
NSLog(@"~~~ %d----%p",b,&b);
打印的結果如下
[29463:603046] ~~~ 10----0x7ffeefbff5b0
[29463:603046] ~~~ 10----0x7ffeefbff5b4
我們看到打印的結果，a和b的地址相差四個字節，正好是int類型所占的存儲空間，實際上在創建對象的時候，內存的分配也是符合偏移的原則的，我們可以根據對象的首地址加上相應屬性的偏移量去讀取對應的屬性
類的屬性存儲探索
我們接下來通過一頓騷操作（其實就是lldb的調試），來找到類中屬性的存儲位置：
-
p/xWPerson.class 打印WPerson類的首地址(Class) $0 = 0x0000000100002210 WPerson -
x/4gx0x0000000100002210 打印出WPerson類的內存信息0x100002210: 0x00000001000021e8 0x0000000100334140 0x100002220: 0x000000010032e410 0x0000802400000000 -
p(class_data_bits_t *)0x100002230 通過內存地址的偏移32字節打印出class中的bits(class_data_bits_t *) $1 = 0x0000000100002230 -
p *$1->data()獲取bits的data(class_rw_t) $3 = { flags = 2148007936 witness = 0 ro_or_rw_ext = { std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975624 } firstSubclass = nil nextSiblingClass = NSUUID } -
p $3.properties() 調用
properties方法(const property_array_t) $4 = { list_array_tt<property_t, property_list_t> = { = { list = 0x0000000100002198 arrayAndFlag = 4294975896 } } } -
p $4.list 讀取屬性列表
(property_list_t *const) $5 = 0x0000000100002198 -
p *$5 獲取屬性列表的首地址
(property_list_t) $6 = { entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = { entsizeAndFlags = 16 count = 2 first = (name = "nickName", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_nickName") } } -
p $6.get(0) 獲取屬性列表的第一條數據
(property_t) $7 = (name = "nickName", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_nickName") -
p $6.get(1) 獲取屬性列表的第二條數據
(property_t) $8 = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",&,N,V_name")
通過這種方式，我們可以獲取到類的屬性列表，我們也知道了，類的屬性實際存儲在一個class_rw_t類型的結構體中，關于class_rw_t的定義，我們可以在objc源碼中找到（部分代碼已省略）
struct class_rw_t {
public:
void setFlags(uint32_t set)
{
__c11_atomic_fetch_or((_Atomic(uint32_t) *)&flags, set, __ATOMIC_RELAXED);
}
void clearFlags(uint32_t clear)
{
__c11_atomic_fetch_and((_Atomic(uint32_t) *)&flags, ~clear, __ATOMIC_RELAXED);
}
// set and clear must not overlap
void changeFlags(uint32_t set, uint32_t clear)
{
ASSERT((set & clear) == 0);
uint32_t oldf, newf;
do {
oldf = flags;
newf = (oldf | set) & ~clear;
} while (!OSAtomicCompareAndSwap32Barrier(oldf, newf, (volatile int32_t *)&flags));
}
class_rw_ext_t *ext() const {
return get_ro_or_rwe().dyn_cast<class_rw_ext_t *>();
}
class_rw_ext_t *extAllocIfNeeded() {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (fastpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
return v.get<class_rw_ext_t *>();
} else {
return extAlloc(v.get<const class_ro_t *>());
}
}
class_rw_ext_t *deepCopy(const class_ro_t *ro) {
return extAlloc(ro, true);
}
const class_ro_t *ro() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (slowpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
return v.get<class_rw_ext_t *>()->ro;
}
return v.get<const class_ro_t *>();
}
void set_ro(const class_ro_t *ro) {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
v.get<class_rw_ext_t *>()->ro = ro;
} else {
set_ro_or_rwe(ro);
}
}
const method_array_t methods() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
return v.get<class_rw_ext_t *>()->methods;
} else {
return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseMethods()};
}
}
const property_array_t properties() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
return v.get<class_rw_ext_t *>()->properties;
} else {
return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProperties};
}
}
const protocol_array_t protocols() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
return v.get<class_rw_ext_t *>()->protocols;
} else {
return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProtocols};
}
}
};
我們看到這里不僅存儲了properties屬性，同時還存儲了類的方法列表methods，和協議列表protocols，但是我們通過探索發現兩個問題：
- 屬性列表中并
沒有存儲類的成員變量 - 方法列表中并
未存儲類方法（+(void)sayNB;）
成員變量的存儲
我們在class_rw_t結構中發現了有一個返回值類型為class_ro_t的ro方法，通過進一步探索發現成員變量實際存儲在class_ro_t的ivars中（探索過程同上）
類方法的存儲
我們通過上面的方法探索發現類方法并未存儲在methods()方法中，我們先說結論：
類方法實際存儲在元類的方法列表中
我們可以通過Class的isa指針來驗證這一結論
(lldb) x/4gx WPerson.class
0x100002248: 0x0000000100002220 0x0000000100334140
0x100002258: 0x000000010032e410 0x0000802400000000
(lldb) p/x 0x0000000100002220 & 0x0000000ffffffff8ULL
(unsigned long long) $1 = 0x0000000100002220
(lldb) p/x (class_data_bits_t *)0x0000000100002240
(class_data_bits_t *) $4 = 0x0000000100002240
(lldb) p $4->data()
(class_rw_t *) $5 = 0x0000000101110110
(lldb) p *$5
(class_rw_t) $6 = {
flags = 2684878849
witness = 1
ro_or_rw_ext = {
std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975552
}
firstSubclass = nil
nextSiblingClass = 0x00007fff8e608cd8
}
(lldb) p $6.methods()
(const method_array_t) $7 = {
list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
= {
list = 0x0000000100002088
arrayAndFlag = 4294975624
}
}
}
(lldb) p $7.list
(method_list_t *const) $8 = 0x0000000100002088
(lldb) p *$8
(method_list_t) $9 = {
entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
entsizeAndFlags = 26
count = 1
first = {
name = "sayNB"
types = 0x0000000100000f7f "v16@0:8"
imp = 0x0000000100000ce0 (KCObjc`+[WPerson sayNB])
}
}
}
(lldb) p $9.get(0)
(method_t) $10 = {
name = "sayNB"
types = 0x0000000100000f7f "v16@0:8"
imp = 0x0000000100000ce0 (KCObjc`+[WPerson sayNB])
}
通過這一頓騷操作，我們在WPerson的isa所指向的類中找到了sayNB方法
